打开文本图片集

摘要：市场上产品推成出新的速度随着老百姓生活需求和消费水平的提高而不断加快，从而推动了产品原型快速设计新技术、新方法的应用，尤其在产品原型曲面三维数据快速采集及处理方面有巨大的市场前景。搭载Wrap_Win3D三维扫描系统的拍照式三维扫描仪能迅速获取产品、零件原型曲面三维点云数据，并对点云数据进行优化处理，有效地适应了新产品快速开发的技术需求，并在实际产品开发设计中得到了大量的运用。

关键词：Wrap_Win3D三维扫描系统；原型曲面；点云数据；数据处理

前言

逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。为满足市场对各类电子及日用产品更新换代日益增强的消费需求，针对这类产品的原型曲面数据的采集及处理的实际应用，将影响和促进新产品的设计和开发方式的创新改变，并推进此类产品逆向创新设计开发生产模式转化为实际经济效益的进程速度。

三维扫描仪就是逆向工程技术其中的一项重要的技术承载。三维扫描仪一项是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算性能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段，目前已成为产品设计制作领域的重要关键设备。

1 Wrap_Win3D三维扫描系统应用实例

Wrap_Win3D三维扫描系统集成了Win3DD三维扫描系统和Geomagic Wrap数据处理软件各自优势功能，大大提高了此软件的易用性和便捷性。下面将以扫描测量某型号吹风筒作为实测应用范例。

1.1零件准备工作

（1）要点提示：不同零件因表面结构不同，材质也不同，其对扫描仪投射的光线吸收反射也会有区别，而这恰好又对扫描测量数据产生重要地影响。

因此，通常在零件扫描之前应进行表面喷涂作业，主要采用PT-5系列白色光学显影剂，也可采用白色手喷漆，二者都能满足扫描精度要求，主要区别在于手喷漆难以清除，破坏零件原始表面外观。

（2）粘贴标志点：采用Wrap_Win3D三维扫描仪扫描测量零件时，被测零件需要任意变换角度和位置，为使被扫描零件各部位数据完整且表面数据能顺利拼接，需对被测零件相应表面和扫描托盘表面粘贴标志点，确保扫描系统能正确拼接数据。

具体操作方法是，待被测零件表面显影剂干燥后，在被测零件过渡表面上粘贴规格为内3mm外8mm的标志点，每个表面至少三个标志点以上并且标志点之间错开非对称布局，尽量避开倒角等结构特征。同时在扫描托盘正反两个表面上根据被测零件大小按照杂乱无序的方式粘贴若干标志点，效果如图1所示。标志点的粘贴对扫描数据的过程起着十分重要的作用，直接影响到整个零件扫描数据能否顺利拼接成为一个完整的整体。

1.2系统标定

三维扫描仪标定流程是在使用过程中必不可少的一个环节，其主要目的是精确计算和修正三维扫描仪摄像镜头与投影仪的内外部参数，能有效保障扫描数据的精度，由于篇幅限制本文对Wrap_Win3D三维扫描系统标定过程不作详细描述。

1.3扫描点云数据及封装

新建扫描工程，点击扫描操作，光源以先纵后横方式投射光栅开始扫描零件。光栅扫描结束后，屏幕对话框会弹出当前采集到的表面点云数据，在屏幕显示的图形上蓝色为零件表面点云数据，黄色为采集到的标志点。如图2所示。多次转动被测零件到恰当位置并点击扫描操作，扫描系统会根据标志点拼接数据，直至整个被测零件正面数据采集完成。用相同的办法，新建扫描工程采集被测零件背面数据。最后点击菜单栏“点”，电选命令“选择”→依次执行“非连接项”“体外孤点”命令删除扫描数据表面噪点和多余杂点数据，后执行命令“封装”进行点云数据封装。

1.4数据优化

因扫描需要在零件表面粘贴有若干标志点，扫描完成后会造成数据破孔现象，此外，由于零件表面的阴角和拐点的存在，扫描仪无法完全扫描到位，都会造成扫描数据破孔现象的发生，如图3所示。单击工具栏“多边形”，选择菜单栏的“填充单个控”命令，根据破孔部位的曲率和破孔的形状（如：内部孔、边界孔和桥接孔）相应地选择修补孔的方式，依次将零件数据表面的破孔进行修补。

由于零件表面曲率不一，对扫描光线的反馈不一造成扫描数据稀疏不一致，有的部位数据表面光滑，有的数据表面凹凸不平，如图4所示。单击工具栏“多边形”，依次执行“松弛”、“删除钉状物”以及“快速光顺”命令，使整体数据表面均匀光顺。

1.5注册拟合各次扫描数据

点击工具栏“对齐”，选择菜单栏里的“手动注册”命令，模型管理器点选全部数据，如图5所示。合并模式选择n点注册，固定选择其中一个数据，浮动选择另一个数据，找到两个数据上共有的参照至少3处，并在相应参照处点击鼠标点选公用参照点，后点击确认，手动注册数据过程完成，如图6所示。

在手动注册数据完成后应进行全局注册，目的是对手动注册的数据进行自动精准注册，使各次扫描数据能够完全拟合为一个整体数据，如图7所示。

1.6输出扫描数据

数据处理完成后，输出stl格式文件（ASCII明码格式，binary二进制格式均可），供逆向设计软件（常见的有GeomagicDesignX、UG、ProEngineer等）进行后续三维CAD数据模型重构，用于产品创新设计、模具开发和加工工艺分析等用途。

结束语

Wrap_Win3D三维扫描系统集合了产品原型曲面三维数据快速采集并实时自动拼合、点云数据直接处理、尺寸检测以及点云数据封装输出等功能，操作过程简单，精度较高，能有效满足工业设计行业应用需求，可按需求自由调整测量范围，非常适合于中、小型零件（如汽车，摩托车外壳及内饰，家电，雕塑等）测量数据。希望借助本文吹风筒案例的介绍及提炼，促进在产品开发、设计、制造领域中，逆向工程技术的应用和推广。

参考文献：

[1]张学昌，《逆向建模技术与产品创新设计》[M]，北京：北京大学出版社，2009

[2]成思源，《逆向工程技术》[M]，北京：电子工业出版社，2010

[2]黄诚驹，齐荣，基于ATOS测量系统原型曲面快速数字测量及处理[J]，机电产品开发与创新，2004，（7）：79-80

基金项目：2017年广西工业职业技术学院教育教学改革项目“基于逆向工程技术及3D打印的课程开发与探索”（2017004KY003）